胰岛素和二甲双胍与肿瘤关系的研究进展

[摘要] 糖尿病是全世界发病率和病死率最高的疾病之一。有研究称糖尿病与肿瘤发生发展有关。胰岛素和二甲双胍分别是目前最为常用的降糖药物。胰岛素的使用频度逐年提高，为利于胰岛功能恢复和改善代谢紊乱而提倡合理、及时应用胰岛素治疗。二甲双胍的用药频度在口服降糖药中位居前3位。本文就近年来胰岛素和二甲双胍与肿瘤发展和治疗的临床研究进展和潜在机制进行了综述，将为糖尿病肿瘤患者的治疗提供新的思路。

[关键词] 糖尿病；肿瘤；胰岛素；二甲双胍

[中图分类号] R73 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210（2014）07（a）-0148-04

糖尿病是以慢性血糖水平增高为特征的代谢性疾病，是由于胰岛素分泌和（或）作用缺陷所引起，长期可导致肾、眼、血管、心脏、神经等组织器官的慢性病变。糖尿病的病因和发病机制尚未完全阐明，是包括遗传及环境因素在内的复合病因共同作用引起的综合征，其缺乏病因治疗，故积极强调理性的早期和个体化以及长期的治疗。1型糖尿病（T1DM）是由于胰岛β细胞破坏和功能衰竭，导致体内胰岛素分泌不足进行性加重。2型糖尿病（T2DM）主要以外周组织对胰岛素的抵抗、胰岛素受体效能减弱为特征。现在认为糖尿病患者中约95%为T2DM。降糖药物主要有磺脲类（sulfonylureas）、格列奈类、双胍类（biguanides）、噻唑烷二酮类（thiazolidinediones）、α葡萄糖苷酶抑制剂（AGI）、胰岛素。

近年来，流行病学研究发现，糖尿病患者肿瘤（tumour）的发生率高于正常人，呈逐渐上升趋势[1]。目前研究主要集中在高胰岛素血症（hyperinsulinemia）、胰岛素和胰岛素样生长因子及二甲双胍等方面。国内外很多学者对胰岛素是否增加肿瘤发生率进行了临床实验。Currie等[2]将62 809例糖尿病患者进行分组研究，结果显示胰岛素或者促胰岛素分泌的药物比单独或联合二甲双胍药物治疗糖尿病更有可能增加患者患实体瘤的风险。本文综合相关资料，希望能以现有的研究结果在药物机制上对上述结论做进一步的解释。

1 胰岛素和胰岛素相关信号通路

1.1 胰岛素及高胰岛素血症

胰岛素是有51个氨基酸残基组成的小分子蛋白质，其中21肽的A链和30肽的B链间借两个二硫键相连，分子量为5808，胰岛素前体经剪切后形成的胰岛素和连接肽（connecting peptide）及C肽同时被释放入血。胰岛素可以降低血糖，增加肝糖原及肌糖原、肝及脂肪、蛋白质及RNA、DNA合成。

胰岛素抵抗（insulin resistance）是胰岛素的作用组织器官（脂肪组织、肝脏、肌肉）对胰岛素的敏感性减低。典型的胰岛素抵抗是指机体的糖代谢减弱对胰岛素调节作用的敏感度，而非对蛋白质、脂肪、电解质、水平衡及交感神经等其他生物作用的抵抗。T2DM发生胰岛素抵抗时，机体会代偿性分泌大量的胰岛素，而T1DM必须长期使用外源性的胰岛素治疗，两者均可导致继发性高胰岛素状态，增强胰岛素其他方面的生物效应，给人体带来负面作用[3]。

1.2胰岛素信号通路

胰岛素实现其生物效应须经过相关的蛋白激酶、酸酶的级联反应。目前研究热点集中在PI3K通路和Ras途径。PI3K通路中PI3K激活下游的蛋白激酶B（PKB）/丝氨酸苏氨酸蛋白激酶（AKT）；Ras途径中生长因子受体结合蛋白2/信号蛋白GDP-GTP交换因子复合体激活Ras、Raf及丝裂原活化蛋白激酶（MAPK），再磷酸化下游的elk、c-fos等转录因子，最终实现调控葡萄糖转运、调节胰岛素基因转录及抑制细胞凋亡等功能。

2 胰岛素对细胞代谢的影响

2.1胰岛素增进细胞增殖

2.1.1 MAPK/ERK通路 MAPK通路是细胞内重要的信号传导途径，主要包括以下4类：细胞外信号调节激酶（ERK）、c-Jun氨基末端激酶（JNK）、p38激酶以及大丝裂原活化蛋白激酶（BMKI/ERK5）。其中，ERK的激活与细胞增殖有关，JNK与细胞应激和细胞凋亡有关，p38与炎性反应有关，BRKI/ERK5可能与细胞增殖、细胞周期有关。据研究它的激活与多种恶性肿瘤发生有关[4]。目前的研究中，MAPK/ERK信号传导通路在细胞的恶性转化和肿瘤的发生发展中的机制比较明确，包括：抑制肿瘤细胞凋亡、诱导肿瘤组织侵袭、促进肿瘤血管生成、促进肿瘤细胞增殖等。目前已知ERK包括ERK1～ERK5，其中ERK1/ERK2是研究最多的分子，于各种细胞广泛表达。ERK的激活分为三步：Ras激活Raf蛋白（即MAPKKK）；激活的Raf磷酸化MEK1/2（即MAp-KK）；磷酸化的MEK1/2激活ERK1/2（即MAPK）。ERK级联反应中过程有很多细胞因子参与，如EGF、PDGF、TGF-β、Integrinl31、Integrinl33、uPAR、Jak2、STAT3、STAT5a、STAT5b。Sivaraman等[5]发现，ERK的活性或表达在乳腺癌中上调。研究人员设计临床实验，研究胰岛素对子宫内膜癌细胞ERK信号通路的活化，并探讨ERK信号通路对Cyclin D1 mRNA、蛋白水平的影响及该通路在细胞增殖调节中的作用，方法是将无血清饥饿的子宫内膜癌Ishikawa3-H-12细胞分为空白对照组、10-6mol/L胰岛素单独刺激组以及不同剂量MEK抑制剂PD98059预处理后再用胰岛素刺激组，Western blot检测各组ERK磷酸化（P-ERX）及Cyclin D1蛋白水平，RT-PCR检测Cyclin D1 mRNA水平，噻唑蓝（MTT）试验观察细胞增殖情况；结果显示胰岛素可引起子宫内膜癌细胞ERK活化，胰岛素可促进子宫内膜癌细胞Cyclin D1 mRNA转录和蛋白表达，PD98059以浓度依赖方式抑制胰岛素引起的ERK磷酸化、mRNA转录和蛋白表达水平，从而抑制胰岛素的增殖促进作用[6]。ERK被抑制剂PD98059抑制时，凋亡活化基因p53激活增加[7]。

2.1.2 PI3K/AKT通路 PI3K/Akt信号转导通路在细胞增殖、分化、肿瘤的血管形成和转移等方面起着重要的作用[8]，P13K由p110催化亚基和p85调节亚基构成，在介导P13K和胞膜受体激酶的相互作用中起关键作用。Akt即蛋白激酶B，是原癌基因c-akt的表达产物，也是丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶成员。Akt包括Akt1、Akt2、Akt3，均参与下游的信号传导。P13K信号通路在胰岛素引起的促内膜癌细胞增殖、抑制凋亡中起重要作用。占华平等[9]研究发现，P13K抑制剂LY294002可以拮抗胰岛素对内膜癌细胞的增殖促进作用。胰岛素与细胞膜表面的胰岛素受体结合后，受体酪氨酸激酶在其相应配体的刺激下发生寡聚化和自身磷酸化，为包括P13K调节亚基在内的很多含有SH结构域的分子提供结合位点，各个弧基锚定在膜上后，活化的受体酪氨酸激酶激活P13K，活化后的P13K磷酸化磷脂酰肌醇二磷酸生成磷脂酰肌醇三磷酸，磷脂酰肌醇三磷酸和Akt N端的PH结构域结合，使Akt转移到细胞膜上，通过PDK1磷酸化Akt的第308位点的苏氨酸，导致Akt的活化；Akt还能通过PDK2对其473位点的丝氨酸磷酸化而激活。活化的Akt蛋白具有促进细胞周期运行、促进端粒酶活性、促进血管生成、促进肿瘤侵袭作用[10-11]，最终实现其代谢功能。胰岛素促进细胞增殖同时具有剂量依赖性，并且增加细胞的侵袭能力。研究人员用0.1、1、10、100 mmol/L胰岛素处理PANG1，MTT法和Transwell小室侵袭实验检测细胞增殖和侵袭能力，结果显示胰岛素呈剂量依赖性诱导PANG1细胞的增殖，上调HIF-let、VEGF蛋白表达，Transwell小室穿膜细胞数量显著增加，表示细胞的侵袭能力增加[12]。

2.2胰岛素和高血糖

机体长期高血糖不仅为肿瘤细胞提供能量，促进肿瘤的生长，还会引起毛细血管基底膜增厚，通透性下降，导致细胞有氧代谢障碍，无氧酵解增强。机体正常细胞通过适应性选择恶变为糖酵解能力强的肿瘤细胞[13]。早期的动物实验发现，糖尿病导致葡萄糖和游离脂肪酸含量增高，可能为肿瘤细胞的生长提供能量。大多数糖尿病患者同时存在高血糖症和高胰岛素血症，难以明确区别哪一种在糖尿病罹患肿瘤危险性升高中起主导作用[14]。

2.3 胰岛素增加肿瘤细胞对化疗药物敏感性

孙龙昊等[15]以胰岛素和甲氨蝶呤（MTX）或5-氟尿嘧啶（5-Fu）处理人结肠癌细胞SW480、小鼠结肠癌细胞CT-26及小鼠乳腺癌细胞4T1；MTT法分析细胞活力，荧光显微镜和流式细胞术观察肿瘤细胞对荧光标记MTX的摄取，并利用小鼠荷瘸模型，观察胰岛素及低血糖对MTX化疗疗效的影响。结果显示，胰岛素在一定浓度范围内可促进4T1和SW480细胞增殖。但是，低浓度胰岛素诱导肿瘤细胞24 h，可提高化疗药物的抑制率4.1%～11.5%，减少达到同样杀伤效果时所需的药物剂47%～96%。本实验证明，胰岛素可通过促进肿瘤细胞对化疗药物的吸收来增加肿瘤细胞对的敏感性，增加化疗药物的抑瘤作用。推测在体内，胰岛素通过降低血糖增加肿瘤细胞增加对化疗药物的摄取，同时加速肿瘤细胞进入细胞周期，介导化疗药物诱导肿瘤细胞的凋亡，但其分子机制尚需进一步研究。此外，胰岛素的化疗增敏作用有一定的靶向性。多种肿瘤细胞膜上的胰岛素受体密度和亲合力较正常细胞增加，如乳腺癌细胞膜上的胰岛素受体和胰岛素样生长因子受体分别为正常乳腺及周围组织细胞的7倍和10倍[16-17]。放射性自显影技术证明胰岛素同肿瘤细胞亲和力强于脂肪或纤维细胞[18]。

3 二甲双胍的信号通路

3.1 AMPK信号通路

二甲双胍是AMPK的激活剂，AMPK信号通路是二甲双胍发挥作用的主要通路。AMPK（AMP活化蛋白激酶活化蛋白激酶）是细胞内的能量调节器，AMPK信号通路通过增加脂肪酸氧化来产生ATP，保护急性损伤期的细胞。AMPK由催化亚基α亚基（α1，α2）、β亚基（β1，β2）和调节亚基γ亚基（γ1，γ2，γ3）组成的三聚体（αβγ）蛋白激酶复合物。当细胞内AMP水平或者AMP/ATP升高时，5′-AMP与AMPK的β、γ亚基结合使其发生变构；此外，活化的丝氨酸苏氨酸激酶（LKB1）磷酸化AMPK的α亚基活性中心Thr172。

AMPK与胰岛素的信号通路在分子水平上有着复杂的联系。AMPK可以调节与胰岛素受体底物-1（IRS-1）相结合的PI3K和Akt/PKB的活性，增强胰岛素对Akt/PKB的激活和GSK3的磷酸化，但胰岛素和Akt却能降低AMPK的活性[19-20]。

3.2丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶

丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（mammalian target of rapamycin，mTOR）被认为是磷脂酰肌醇3-激酶相关激酶[phosphatidylinositol 3-kinase（PI3K）-related kinase，PIKK]蛋白质家族成员之一。PIKK家族广泛参与调控细胞生长、细胞周期和DNA损伤修复等过程。氨基酸（特别是亮氨酸）浓度能够直接影响mTOR的活性；生长因子及能量水平（例如胰岛素生长因子、细胞AMP水平、AMP/ATP等）也可通过AMPK信号通路来调节mTOR活性。mTOR通过磷酸化p70、S6K和4E-BP1来调控细胞翻译元件的合成，从而影响蛋白质的合成。此外，mTOR有促进细胞G1～S期的转换和细胞增殖的作用。

mTOR影响细胞增殖分化的信号通路有两种：① PI3K/Akt/mTOR通路：Akt通过直接磷酸化mTOR的Ser2448位点来激活mTOR及其下游的效应分子。②Akt/TSC1-TSC2/mTOR/S6K通路：TSC是肿瘤抑制因子，而TSC1-TSC2复合物是mTOR的抑制因子，TSC1-TSC2发生异常可激活mTOR及其下游的效应分子[21]。

4 二甲双胍对肿瘤的影响

4.1 二甲双胍抑制肿瘤增殖

二甲双胍与胰岛素同是降糖药物，但两者的作用机制有显著差异，二甲双胍降低血糖的基础是缓解机体（主要是肝脏和肌肉）的胰岛素抵抗，通过减少肝糖原异生，增加胰岛素的敏感性和抑制肠道细胞摄取葡萄糖[22]。如前所述，二甲双胍治疗组糖尿病患者发生肿瘤的危险度和肿瘤相关病死率[23]显著降低，联系其他研究[24]提示其可以抑制肿瘤的增殖，降低糖尿病患者发生肿瘤的危险性。

4.2 二甲双胍抑癌作用的可能途径

4.2.1 间接作用 二甲双胍降低血胰岛素，直接或间接（减少肝细胞表面生长激素受体数目、降低胰岛素样生长因子结合蛋白水平[25-26]）减少IGF-1的合成和分泌，进而抑制肿瘤细胞增殖[27-28]。

4.2.2 直接作用 二甲双胍直接作用于肿瘤细胞，导致细胞周期阻滞或凋亡，从而抑制肿瘤细胞生长。二甲双胍激活AMPK后，可能有两种作用方式：①CyclinD1通路：通过磷酸化P53的Ser15位点，再活化P53下游的P21，从而抑制CyclinD-Cdk4/6复合物，减低细胞内CyclinD1蛋白水平，抑制Rb蛋白磷酸化，阻碍转录因子E2F的活化，导致G0/G1期阻滞。②雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通路：通过激活TSC1/TSC2复合体降低细胞内Rheb-GTP水平，引起mTOR活性减弱，下游的核糖体蛋白S6激酶（P70S6K）和真核细胞启动子4E结合蛋白1（4E-BP1）发生去磷酸化，抑制cap依赖的mRNA翻译，导致细胞内蛋白质的合成减少[29]。mTOR有促进细胞（包括肿瘤细胞）的增殖、分化的作用，而胰岛素、胰岛素生长因子等能通过IRS蛋白和PI3K途径来调节mTOR的作用。故而，有研究认为，二甲双胍对mTOR的抑制作用是通过其对胰岛素和胰岛素生长因子的负调节来实现的，而非直接作用[30]。

5 结语

综上所述，糖尿病和肿瘤关系密切，胰岛素在糖尿病患者发生恶性肿瘤的过程中起着复杂的作用，仍需研究其他方面的机制。研究胰岛素与肿瘤的关系，旨在合理使用胰岛素，调整糖尿病患者的治疗方案，减少其肿瘤的发病率与病死率，提高患者的生活质量。如果二甲双胍对肿瘤的抑制作用进一步得到验证，将为糖尿病患者肿瘤的防治提供新途径。

[参考文献]

[1] 顾云娟，贾伟平.降糖药物与恶性肿瘤关系的研究进展[J].中华流行病学杂志，2011，32（11）：1170-1173.

[2] Currie CJ，Polle CD，Gale EAM. The influence of glucose-lowering therapies on cancer risk [J]. 2009，52：1766-1777.

[3] 李梅，高玉琪.胰岛素抑抗，高胰岛素血症的发病机制[J].国外医学：内分泌学分册，1995，15（4）：172-175.

[4] Maemura M，Lino Y，Koibuchi Y. Mitogen-activates protein kinase cascade in breast cancer [J]. Oncology，1999 ，57（2）：37-44.

[5] Sivaraman VS，Wangh H，Nuovo GJ，et al. Hyperecpression of mitogen-activated protein kinase in human breast cancer [J]. J Clin Invest，1997，99（7）：1478-1483.

[6] 张果，李小平，赵丽君，等.胰岛素相关微环境因子对子宫内膜癌细胞MAPK/ERK通路活化的时间和浓度效应研究[J].中国妇产科临床杂志，2010，12（3）：202-205.

[7] Altiok N，Koyuturk M，Altiok S. JNK pathway regulates estradiol-induced apoptosis in hormone-dependent human breast cancer cells [J]. Breast Cancer Research and Treatment，2007，105（3）：113-124.

[8] Liang J，Ge F，Guo C，er al. Inhibition of PI3K/Akt partially leads to the inhibition of PrP（C）-induced frug resistance in gastric cancer cells [J]. The FEBS Journal，2009，276（3）：683-694.

[9] 占华平，罗忠金，张吉翔.转化生长因子-β1及其在肝癌形成中的作用[J].国际肿瘤学杂志，2007，（4）：289-292.

[10] Dreesen O，Brivanlou AH. Signaling pathwanys in cancer and embryonic stem cells [J]. Stem cell reviews，2007，（1）：138-142.

[11] 王春茂，王鸿程.PI3K/Akt通路阻断在恶性肿瘤治疗中的进展[J].国际呼吸杂志2011，31（10）：785-787.

[12] 刘涛，王统玲，勾善森，等.胰岛素对人胰腺癌PANC1细胞增殖与侵袭能力的影响[J].中华胰腺病杂志，2012，12（1）：19-21.

[13] 季尚玮，郭宏华.糖尿病与消化系统肿瘤关系的研究进展[J].国际消化病杂志，2006，26（增刊）：8-10.

[14] Zhou J，Tao R，Lan F，et al. Inactivation of AMPK alters gene expression and promotes growth of prostate cancer cells [J]. Oncogene，2009，28（18）：1993-2002.

[15] 孙龙昊，何向辉，朱理玮.胰岛素增加肿瘤细胞化疗敏感性的研究[J].中华实验外科杂志，2010，27（6）：757-759.

[16] Papa V，Pezzino V，Costantino A，et al. Elevated insulin receptor content in human breast cancer[J]. J Clin Invest，1990，86：1503-1510.

[17] Cullen JK，Yee D，Sly WS，et al. Insulin-like growth factor receptor expression and function in human breast cancer [J]. Cancer Res，1990，50：48-53.

[18] Holdaway IM，Freisen HC. Hormone binding by human mammary carcinoma [J].Cancer Res，1977，37：1946-1952.

[19] Tao R，Gong J，Luo X，et al. AMPK exerts dual regulatory effects on the PI3K pathway [J]. J Mol Signal，2010，5（1）：1.

[20] 黄德强，罗凌玉，王丽丽，等.AMPK在胰岛素信号转导通路中的作用[J].中国细胞生物学学报，2011，33（11）：1220-1229.

[21] Potter CJ， Pedraza LG， Xu T. Akt regulates growth by directly phosphorylating Tsc2 [J]. Nat Cell Biol， 2002，4： 658-665.

[22] Freemark M， Bursey D. The effects of metformin on body mass index and glucose tolerance in obese adolescents with fasting hyperinsulinemia and a family history of type 2 diabetes[J]. Pediatrics，2001， 107（4）：55.

[23] Baur DM， Klotsche J， Hamnvik OP， et al. Type 2 diabetes mellitus and medications for type 2 diabetes mellitus are associated with risk for and mortality from cancer in a german primary care cohort[J]. Metab Clini and Exp，2011， 60（10）：1363-1371.

[24] Vigneri P， Frasca F， Sciacca L， et al. Diabetes and cancer[J]. Endocrine Relat Cancer，2009， 16（4）：1103-1123.

[25] Butler AA， Le Roith D. Control of growth by the somatropic axis： Growth hormone and the insulin-like growth factors have related and independent roles [J]. Annu Rev Physiol，2001， 63：141-164.

[26] Nam SY， Lee EJ， Kim KR， et al. Effect of obesity on total and free insulin-like growth factor （IGF）-1，and their relationship to IGF-binding protein （BP）-1，IGFBP-2，IGFBP-3，insulin，and growth hormone[J]. International Journal of Obesity and Related Metabolic Disorders，1997， 21（5）：355-359.

[27] Algire C， Amrein L， Bazile M， et al. Diet and tumor lkb1 expression interact to determine sensitivity to anti-neoplastic effects of metformin in vivo [J]. Oncogene，2011， 30（10）：1174-1182.

[28] Memmott RM， Mercado JR， Maier CR， et al. Metformin prevents tobacco carcinogen-induced lung tumorigenesis[J]. Cancer Prevention Research，2010， 3（9）：1066-1076.

[29] Hay N，Sonenberg N.Upstream and downstream of mtor[J]. Genes Dev，2004， 18（16）：1926-1945.

[30] Thurl E， Harris， Johm C，et al. TOR signaling [J]. Sciense's STKE，2003，212：15.

（收稿日期：2014-03-10 本文编辑：程 铭）